Научно-популярный очерк рассказывает об исследовании, проведённом Георгием Флёровым и Константином Петржаком под руководством Игоря Курчатова. В доступной форме объясняются представления физики о строении материи, свойствах самого тяжёлого известного элемента и значении новых экспериментальных методов. Особое внимание уделено открытию самопроизвольного деления атомных ядер, многочисленным проверочным испытаниям и значению этого достижения для дальнейшего развития науки и техники.
Ещё совсем недавно усилитель англичанина Винн-Вильямса был самым совершенным в мире. Шутка ли — он увеличивает мельчайшие электрические явления в 100 тысяч раз!
Уран радиоактивен. Из него вылетают крайне малые альфа-частицы. Это трепетное дыхание атомного мира, это неуловимое движение микроскопически ничтожных импульсов усилитель делает измеримым и видимым для человеческого глаза.
Но вот перед наукой встают новые задачи, и совершенный прибор оказывается бессильным. Он увеличивает всего лишь в 100 тысяч раз...
Молодые советские учёные Георгий Флёров и Константин Петржак построили новый прибор, который усиливает импульсы атомных частиц в 10 миллионов раз! Вот орудие, которое позволит глубже проникнуть в недра атома, таящие грандиозные, ни с чем не сравнимые запасы энергии.
Молодые учёные создали многослойную ионизационную камеру, которая даёт возможность повысить исследуемое количество урана в пятьдесят раз. Весь прибор собран, пущен в действие, и скоро, может быть даже этой ночью, они увидят то, чего ещё никто не видел.
Оба не сводят глаз с флуоресцирующего экрана осциллографа. Круг экрана перечерчен по диаметру колыхающейся зеленоватой линией. Это молниеносно скользит по стеклу точка электронного луча. её извилистый, беспокойный путь продиктован потоками альфа-частиц, прошедшими усиление. Они заставляют колебаться точку и продольно, и поперечно.
 |
Молодые учёные не сводят глаз с флуоресцирующего экрана
осциллографа. |
Внезапно мерное дрожание линии нарушается. Словно от сильного разряда, электронная точка подскакивает на мгновение вверх.
Оба исследователя вздрагивают и с ещё большим напряжением продолжают наблюдать. Проходит пять-десять минут — и снова вспышка. Спустя двенадцать минут такая же картина. В течение часа она повторяется пять раз.
А они сидят и два, и три, и четыре часа. Нет, это не оптический обман, не плод усталого воображения. Они нашли то, что искали.
Молодые учёные бросаются к телефону. Несмотря на поздний час, профессор ещё не спит.
— Что новенького? — раздаётся его бодрый голос.
— Игорь Васильевич, мы сейчас наблюдали самопроизвольный распад урана...
Профессор Курчатов жадно слушает сообщение взволнованных исследователей, засыпает их вопросами и, не успев поздравить, уже говорит, что делать дальше:
— Нужно немедленно ставить контрольные опыты. Нужно тщательно проверить, нет ли здесь побочных причин, вызывающих это явление.
Петржак и Флёров возвращаются к своему прибору, чтобы с новым приливом энергии развить успех, достигнутый в борьбе с природой...
А за окном неторопливо уходит долгая зимняя ночь.
Стояли суровые морозы, и в нескольких десятках километров от великого города штурмовались крепчайшие ДОТы из железа и бетона.
Это было в феврале 1940 года.
*
В периодической системе элементов, открытой великим Менделеевым, уран занимает самое последнее, девяносто второе место. Он замыкает стройную колонну основных веществ, из которых состоит наш мир, всё богатство и разнообразие окружающей нас материи, и мы сами. Открывает эту колонну легчайший и простейший по своему устройству водород. Всего один электрон движется по орбите вокруг его положительного ядра. Но чем дальше от этого элемента, тем сложнее строение вещества, тем больше его атомный вес.
Атом урана — самый сложный и самый тяжёлый. По его орбитам движутся 92 электрона. Этой сложностью объясняется неустойчивость урана, его радиоактивность, то есть свойство излучать альфа-частицы, обнаруженное ещё в 1898 году французским физиком Анри Беккерелем.
Новейшая история урана начинается в 1939 году, когда двое учёных, Хан и Штрассман, проделали любопытный опыт. На пластинку ионизационной камеры, покрытую слоем окиси урана, они направили пучок нейтронов. Название говорит само за себя — эти частицы, живущие в недрах атомов, действительно нейтральны. Они не заряжены ни положительно, ни отрицательно и благодаря этому легко проникают внутрь атома, к самому ядру, так как не взаимодействуют с его электронной оболочкой. Нейтрон наносит удар в самое сердце атома. Тяжёлое и громоздкое ядро урана раскалывается на две почти равные части, освобождая во много раз больше энергии, чем при вылете альфа-луча.
Весть об этом открытии облетела все страны. Учёные заговорили о возможности использования внутриатомной энергии.
Что же породило такую надежду?
Нейтрон, врываясь внутрь атома, расшатывает его, заставляет пульсировать, колебаться. Наступает момент, когда тяжёлое ядро атома урана с громадной силой рвётся.
Так, поражённое бомбой, разваливается каменное строение. Одна стена падает вправо, другая влево, и на месте взрыва поднимаются тучи пыли.
При разрыве ядра урана происходит нечто подобное: возникает пыль из атомных частиц, среди которых есть и нейтроны. Освободившиеся нейтроны взрывают соседние атомы. Картина повторяется, но уже в большем масштабе. Процесс нарастает, раскалываются всё новые ядра, освобождаются всё новые и новые запасы энергии. Происходит так называемая цепная реакция, которая развёртывается с необычайной стремительностью, с быстротой взрыва.
И вот огромные, сумасшедшие количества энергии освобождены! Одно ядрышко урана производит в десятки миллионов раз большую работу, чем молекула самого сильного взрывчатого вещества. Овладев этой энергией, можно легко сносить горы, создавать искусственные моря, менять облик целых континентов...
 |
| Энергии урана, вмещающегося в спичечной коробке, достаточно, чтобы обеспечить на долгие годы движение поезда, океанского парохода или гигантского самолета. |
Если всё так просто, то почему этого ещё нет?
Описанная выше цепная реакция пока ещё неосуществима. На её пути стоит весьма серьёзная преграда.
Есть две разновидности урана, два изотопа. Один от другого отличается лишь атомным весом. Это как бы два ближайших родственника. В таблице Менделеева они занимают общую площадь, то есть помещены в одной клетке.
Итак, существует уран 235 и уран 238 (таковы их атомные веса). Первый легко поддаётся цепной реакции, но когда нейтрон сталкивается со вторым, то теряет свою силу, прилипает к нему. Уран 238 сковывает нейтроны, и реакция не удаётся. Это различие характеров двух близких родственников портит всё дело.
Можно сказать: что же, оставим в покое уран 238, будем иметь дело только с ураном 235.
Правильно! К этому и стремится наука. Вся неприятность в том, что оба урана, как сиамские близнецы, неразлучны. Они существуют только в смеси, и разделить, развести их до сих пор никому ещё не удалось. Как только это произойдёт, начнётся новая эра в истории техники.
Правда, есть ещё одна проблема. Энергия урана — страшная сила. её нужно как-то обуздать, нужно научиться регулировать и управлять ею. Ведь и молния представляет гигантский сгусток электричества, а она до сих пор не поймана, не работает на человека, не вертит станки, не водит поезда.
Эта вторая проблема должна решаться одновременно с первой, чтобы человек, разделивший изотопы урана, не очутился в положении сказочного мага, который вызвал подземных духов и не в состоянии с ними справиться.
*
Когда было установлено, что ядра урана под ударами нейтронов раскалываются, известный датский физик Нильс Бор выдвинул предположение: возможно, что уран делится сам по себе, без всякой бомбардировки извне, хотя и крайне медленно.
Учёный, высказывая эту идею, руководствовался теоретическими соображениями. Если мысль датского физика верна, то перед наукой открываются новые тайны строения вещества.
Предположение Бора нужно проверить. Это пытается сделать американский учёный Либби. Он ставит опыт. Серый порошок окиси урана наносится тонким слоем на круглую металлическую пластинку. Это и есть ионизационная камера. Она присоединяется к усилителю Винн-Вильямса, и на матовом экране осциллографа — прибора для наблюдения электрических импульсов — возникает уже знакомое нам свечение.
Подолгу сидит Либби перед прибором, но видит только обычный радиоактивный альфа-распад. Осколочное деление ядер он наблюдает лишь тогда, когда подносит к ионизационной камере источник, излучающий нейтроны.
«Вероятно, метод Либби недостаточно совершенен, — сделали вывод Флёров и Петржак. — Если прав Нильс Бор, самопроизвольный распад урана происходит крайне медленно. В одном грамме этого вещества насчитывается 3×10²¹ атомов, а распадается из этого астрономического количества ежечасно всего лишь несколько ядер. Акты распада столь редки, что в условиях опыта Либби их и нельзя обнаружить».
Нужно прежде всего увеличить количество исследуемого вещества: чем его больше, тем чаще случаи деления ядер, тем больше вероятности их обнаружить. Так, с вершины холма скорее увидишь падающую звезду, чем из глубины колодца.
Но просто увеличить количество окиси урана нельзя: частицы, вылетающие из глубины слоя, должны будут преодолевать его сопротивление, и это исказит всю картину.
Нужна камера другого типа, которую они и разрабатывают. Камера, сделанная Флёровым и Петржаком, имеет не одну, а пятнадцать пластин, расположенных друг над другом с промежутками в 3 миллиметра. Окись урана наносится на каждую пластину в отдельности.
Одновременно учёные вносят изменение в схему усилителя Винн-Вильямса и повышают его чувствительность в сто раз. Это также имеет свой смысл. В сильный телескоп увидишь больше звёзд, чем в слабый.
И то, что не удалось Либби, удаётся им.
*
Конечно, и Петржак и Флёров убеждены, что они наблюдают именно самопроизвольный распад урановых ядер. Но одной уверенности мало. Наука на слово не верит, а требует объективных доказательств.
При ближайшем участии профессора Курчатова была поставлена целая серия глубоко продуманных контрольных опытов.
Прежде всего, исследователи сравнили открытое ими явление с делением урана, которое вызывается нейтронами. В обоих случаях вспышки на экране совпадали и по форме и по величине.
Как будто вопрос ясен? Нет, не совсем. Возможно, что здесь просто случайное совпадение и крупные импульсы, которые они принимают за сигналы осколочного деления, являются следствием так называемого наложения альфа-частиц. Ведь здесь исследуется большее количество урана, чем у Либби, значит больше и поток альфа-частиц. Если некоторые из них при излучении совпадают, накладываются друг на друга, то это вызывает на экране вспышки, характерные для распада ядер.
Но как это проверить? Устранить радиоактивное излучение невозможно. А может быть, наоборот... ещё больше увеличить поток альфа-частиц? Если повысится количество вспышек, значит такое наложение действительно имеет место.
Проделали этот опыт. Вместо урана взяли эманацию тория — вещества, которое само по себе не даёт деления, но излучает втрое больше альфа-частиц, чем уран. И что же? На экране ни одного импульса распада не наблюдалось.
Одно возражение отпало, возникло другое. Возможно, что всему виной контакты ионизационной камеры. Представим себе, что ежечасно в каком-либо звене происходит усиление или ослабление контакта. Разве это не может породить такие крупные импульсы?
Новый довод был легко опровергнут. Камеру включали вхолостую, без всякого урана, и на экране осциллографа никакого свечения не наблюдалось.
Произвели обратный опыт: увеличили количество урана, для чего сделали новую, ещё более крупную камеру; число вспышек увеличилось.
Так отсеивалось одно возражение за другим, но на смену появлялись новые, подчас самые неожиданные.
Было высказано, например, такое мнение: опыты ведутся в Радиевом институте, где бывают радиоактивные вещества и где сами стены как бы «дышат» нейтронами. А вдруг именно эти нейтроны пробиваются в ионизационную камеру?
Экспериментаторы собрали свою аппаратуру и переехали на другой конец города, в лабораторию Физико-технического института.
Проводя свои контрольные опыты, которые тянулись неделями и требовали невероятного терпения и упорства, Флёров и Петржак теперь уже не сидели перед осциллографом в ожидании вспышек. Наблюдать импульсы распада и регистрировать их они «поручили» приборам. Помимо катодного осциллографа, к усилителю было присоединено механическое реле, особый счётчик, который не реагировал на альфа-частицы, но добросовестно отмечал каждый импульс распада. То же самое делала стрелка гальванометра. Кроме того, при каждом акте деления ядра щелкала мембрана телефона. В дальнейшем ухитрились даже фотографировать эти импульсы.
Переезд в другое помещение нисколько не повлиял на результаты опытов. По-прежнему аккуратно и методично происходили вспышки, порождаемые, видимо, осколочным делением.
Но профессор был неумолим. Едва успешно заканчивался один опыт, как он выдвигал новую версию.
— Альфа-частицы, вылетающие из урана, проносятся в воздухе и ионизируют его. Образуются положительные и отрицательные ионы. Допустим, группа ионов скопляется из-за плохой проводимости пластинки где-либо на поверхности урана в виде небольшого островка. При разрядке этого скопления получается наблюдаемый импульс. Докажите, что это не так.
Молодые физики это доказали. Все пластинки камеры они покрыли с обеих сторон тончайшими, в один микрон, листками фольги (фольга, как известно, отличный проводник). Это была на редкость кропотливая операция. Немало труда пришлось затратить, прежде чем удалось осторожно нарезать кружки из фольги и затем ещё более осторожно прикрепить их к пластинам. Зато электрическая проводимость ионизационной камеры повысилась.
Включили усилитель, но всё было по-прежнему.
Около пятнадцати разнообразных опытов они проделали, чтобы утвердить своё открытие. Эта «самокритика опытами» потребовала чрезвычайного напряжения творческих сил, большой выдумки, изобретательности, тонкого искусства эксперимента.
Каждый опыт выполнялся весьма точно и строго, но ни один эксперимент ни в малейшей мере не поколебал открытия молодых учёных.
Наступила последняя проверка.
Известно, что наша атмосфера пронизывается космическими лучами, идущими из межпланетного пространства. В потоках этих лучей есть и нейтроны. Не они ли раскалывают ядра урана?
Подсчитали теоретически — нет, интенсивность этого излучения недостаточна, чтобы расщеплять атомы. Всё же обратились к опыту.
И тут встал вопрос: куда уйти от этих космических нейтронов, проникающих даже сквозь стены зданий? Ответ был один: куда-нибудь глубоко под землю. Если толстый слой земли и не поглотит целиком эти частицы, то, во всяком случае, значительно их ослабит. Тогда должно уменьшиться число осколочных делений, если, конечно, они порождаются приходящими из мирового пространства нейтронами.
Петржак и Флёров приезжают в Москву. Администрация метрополитена радушно встречает молодых учёных и предоставляет для опытов служебное помещение на станции метро. Эта станция находится на большой глубине под землёй. Здесь оборудуется лаборатория и в течение месяца ведутся опыты.
 |
Последние опыты велись на станции московского метрополитена.
Лаборатория была устроена на большой глубине под землёй. |
Глубоко под землёй, как и на её поверхности, тяжёлые ядра урана распадаются самопроизвольно.
Последние сомнения отпали.
*
Так было доказано существование особого вида химической реакции — осколочного деления тяжёлых ядер урана.
До сих пор знали обычные химические реакции, при которых атомы отдельных веществ меняются своими местами, теряют или приобретают электроны. Известен был радиоактивный распад, когда из атомов вылетают альфа-частицы, бета-частицы и др. Однако при всех этих реакциях ядро атома оставалось нетронутым. Теперь было открыто самопроизвольное деление урановых атомов.
Флёров и Петржак определили скорость этого процесса. По подсчётам Бора, период полураспада урана равен 10²¹ лет. Это — время, в течение которого половина всех атомов данного элемента распадётся, превратившись в атомы других веществ.
Советские исследователи уточнили эту цифру. Период полураспада урана оказался меньше в миллион раз, примерно 10¹⁶—10¹⁷ лет. А геологический возраст Земли определяется наукой в 10⁹ лет. Стало ясно, почему таблица Менделеева заканчивается ураном: элементы более тяжёлые, которые могли стоять дальше урана, были весьма неустойчивы; они имели период полураспада гораздо меньший, чем 10⁹ лет, и поэтому давно прекратили своё существование.
Таким образом, советским физикам удалось открыть важную закономерность в явлениях природы.
Сейчас оба молодых учёных с ещё большим рвением ведут работу над ураном. Пожелаем, чтобы их труды увенчались успехом.
Комментариев нет:
Отправить комментарий